Glavne karakteristike kristalnih struktura. Glavne vrste kristalnih struktura Kristalna struktura i njezin opis

Potrebno je razlikovati pojmove kristalna ćelija I kristalna struktura. Struktura kristala je fizička stvarnost, specifičan raspored različitih atoma u prostoru. Kristalna rešetka je geometrijska slika strukture koja odražava samo simetriju rasporeda kristalnih čestica. Za potpuniji opis strukture kristala koristi se pojam baze. Osnova kristalne strukture zove se zbirka različitih atoma smještenih na određeni način u prostoru po jediničnoj ćeliji. Oni. Navedeni su svi atomi koji u potpunosti pripadaju jednoj jediničnoj ćeliji, zajedno s njihovim koordinatama u ovoj ćeliji. Dakle, ako jedinična ćelija određuje veličinu i oblik “elementarnih cigli” od kojih je kristal sagrađen, tada osnova određuje “materijal” tih cigli. Drugim riječima, osnova je taj "elementarni blok materije", čije periodično ponavljanje u prostoru reproducira cijeli kristal koji se razmatra.

Osnova složenih organskih kristala, koja se sastoji od velikih molekula, može uključivati ​​nekoliko tisuća različitih atoma. U najjednostavnijem slučaju, kada čvorovi kristalne rešetke sadrže atome ili ione iste vrste, baza se sastoji od samo jedne ili više takvih čestica. Slična je situacija tipična, osobito za metale. Ako je struktura metala opisana kristalnom rešetkom s primitivnom ćelijom (slika 1), tada se osnova takve strukture sastoji od samo jednog atoma danog metala. (Doista, u ovom slučaju, svaki atom metala koji se nalazi u čvoru kristalne rešetke nalazi se na sjecištu 8 sličnih ćelija i pripada dotičnoj ćeliji samo za ⅛. Ali budući da u ćeliji postoji 8 takvih čvorova, tada u potpunosti mu pripada točno jedan atom koji čini osnovu. Pomicanjem tog baznog atoma duž koordinatnih osi s korakom koji odgovara periodima kristalne rešetke, reproducira se cjelokupna prostorna struktura metala). U slučaju stanice s tjelesnim središtem, baza se sastoji od 2 atoma metala (atom u središtu stanice u potpunosti pripada ovoj stanici, plus jedan atom daju čvorovi koji se nalaze na vrhovima stanice), a u stanica usmjerena na lice - 4 (svaki od 6 atoma smještenih u središtima lica pripada dotičnoj stanici samo ½ dijela).

Sustav simetrije, vrijednosti perioda rešetke i baza u potpunosti određuju kristalnu strukturu određenog materijala. Ako su ti parametri poznati, tada se struktura kristala također smatra poznatom. Međutim, za potpuniji opis strukture ponekad se koriste dodatni parametri kao što su koordinacijski broj i koeficijent zbijenosti. Koordinacijski broj je broj najbližih ekvidistantnih susjeda bilo kojeg atoma. Ako kao primjer uzmemo strukturu prikazanu na Sl. 1, tada je njegov koordinacijski broj šest. Faktor kompaktnosti(stupanj zbijenosti) je omjer volumena koji zauzimaju atomi prema cjelokupnom volumenu jedinične ćelije. U slučaju čistih metala, koeficijent zbijenosti može doseći 0,74. To znači da 74% volumena metala zauzimaju atomi, a ostatak su šupljine (pore).

Krutine se dijele na amorfna tijela i kristale. Razlika između potonjeg i prvog je u tome što su atomi kristala raspoređeni prema određenom zakonu, tvoreći tako trodimenzionalni periodički raspored, koji se naziva kristalna rešetka.

Zanimljivo je da naziv kristala dolazi od grčkih riječi “smrznuti” i “hladan”, au vrijeme Homera ovom se riječju opisivao gorski kristal, koji se tada smatrao “smrznutim ledom”. U početku se ovaj izraz koristio za opis samo fasetiranih prozirnih formacija. Ali kasnije su se neprozirna i neobrezana tijela prirodnog podrijetla također počela nazivati ​​kristalima.

Kristalna struktura i rešetka

Idealni kristal predstavlja se u obliku periodički ponavljajućih identičnih struktura - takozvanih elementarnih ćelija kristala. Općenito, oblik takve ćelije je kosi paralelopiped.

Potrebno je razlikovati pojmove kao što su kristalna rešetka i kristalna struktura. Prvi je matematička apstrakcija koja prikazuje pravilan raspored određenih točaka u prostoru. Dok je kristalna struktura pravi fizički objekt, kristal, u kojem je određena skupina atoma ili molekula povezana sa svakom točkom kristalne rešetke.

Kristalna struktura granata - romb i dodekaedar

Glavni čimbenik koji određuje elektromagnetska i mehanička svojstva kristala je struktura jedinične ćelije i atoma (molekula) povezanih s njom.

Anizotropija kristala

Glavno svojstvo kristala koje ih razlikuje od amorfnih tijela je anizotropija. To znači da su svojstva kristala različita ovisno o smjeru. Na primjer, neelastična (ireverzibilna) deformacija događa se samo duž određenih ravnina kristala iu određenom smjeru. Zbog anizotropije, kristali različito reagiraju na deformaciju ovisno o njezinu smjeru.

Međutim, postoje kristali koji nemaju anizotropiju.

Vrste kristala

Kristali se dijele na monokristale i polikristale. Monokristali su tvari čija se kristalna struktura proteže cijelim tijelom. Takva tijela su homogena i imaju kontinuiranu kristalnu rešetku. Tipično, takav kristal ima izražen rez. Primjeri prirodnih monokristala su monokristali kamene soli, dijamanta i topaza te kvarca.

Mnoge tvari imaju kristalnu strukturu, iako obično nemaju karakterističan oblik kristala. Takve tvari uključuju, na primjer, metale. Istraživanja pokazuju da se takve tvari sastoje od velikog broja vrlo malih pojedinačnih kristala – kristalnih zrnaca ili kristalita. Tvar koja se sastoji od mnogo takvih različito usmjerenih pojedinačnih kristala naziva se polikristalna. Polikristali često nemaju fasetu, a njihova svojstva ovise o prosječnoj veličini kristalnih zrna, njihovom međusobnom položaju, kao i strukturi granica zrna. Polikristali uključuju tvari kao što su metali i legure, keramika i minerali, kao i druge.

Uvod

Kristalna tijela jedna su od vrsta minerala.

Kristalne su čvrste tvari čija fizikalna svojstva nisu ista u različitim smjerovima, ali su ista u paralelnim smjerovima.

Porodica kristalnih krutina sastoji se od dvije skupine - monokristala i polikristala. Prvi ponekad imaju geometrijski pravilan vanjski oblik, dok drugi, poput amorfnih tijela, nemaju određeni oblik svojstven određenoj tvari. Ali za razliku od amorfnih tijela, struktura polikristala je heterogena i zrnasta. Oni su skup kaotično orijentiranih malih kristala - kristalita - sraslih jedan s drugim. Polikristalna struktura lijevanog željeza, na primjer, može se otkriti ispitivanjem slomljenog uzorka s povećalom.

Kristali se razlikuju po veličini. Mnogi od njih mogu se vidjeti samo kroz mikroskop. Ali postoje divovski kristali teški nekoliko tona.

Kristalna struktura

Raznolikost oblika kristala je vrlo velika. Kristali mogu imati od četiri do nekoliko stotina faseta. Ali u isto vrijeme, oni imaju izvanrednu osobinu - bez obzira na veličinu, oblik i broj lica istog kristala, sve ravne strane se međusobno sijeku pod određenim kutovima. Kutovi između odgovarajućih stranica uvijek su isti. Kristali kamene soli, primjerice, mogu imati oblik kocke, paralelopipeda, prizme ili tijela složenijeg oblika, ali im se plohe uvijek sijeku pod pravim kutom. Lice kvarca imaju oblik nepravilnih šesterokuta, ali su kutovi između ploha uvijek isti - 120°.

Zakon stalnosti kutova, koji je 1669. godine otkrio Danac Nikolai Steno, najvažniji je zakon znanosti o kristalima – kristalografije.

Mjerenje kutova između ploha kristala od velike je praktične važnosti, budući da se iz rezultata tih mjerenja u mnogim slučajevima može pouzdano odrediti priroda minerala. Najjednostavniji uređaj za mjerenje kristalnih kutova je primijenjeni goniometar. Korištenje primijenjenog goniometra moguće je samo za proučavanje velikih kristala; točnost mjerenja uz njegovu pomoć također je niska. Vrlo je teško razlikovati, na primjer, kristale kalcita i nitrata, sličnog oblika i koji imaju kutove između odgovarajućih strana jednakih 101°55" za prvi i 102°41,5" za drugi, pomoću primijenjenog goniometra. Stoga se u laboratorijskim uvjetima mjerenja kutova između kristalnih ploha obično izvode složenijim i preciznijim instrumentima.

Kristali pravilnog geometrijskog oblika rijetki su u prirodi. Kombinirano djelovanje takvih nepovoljnih čimbenika kao što su temperaturne fluktuacije i blisko okruženje sa susjednim čvrstim tijelima ne dopušta rastućem kristalu da dobije svoj karakterističan oblik. Osim toga, značajan dio kristala koji su u dalekoj prošlosti imali savršen rez uspio ga je izgubiti pod utjecajem vode, vjetra i trenja s drugim krutinama. Stoga su mnoga zaobljena prozirna zrnca koja se mogu pronaći u obalnom pijesku kristali kvarca koji su izgubili svoje rubove kao rezultat dugotrajnog trenja jedno o drugo.

Postoji nekoliko načina da se utvrdi je li kruto tijelo kristal. Najjednostavniji od njih, ali vrlo neprikladan za upotrebu, otkriven je kao rezultat slučajnog promatranja krajem 18. stoljeća. Francuski znanstvenik Renne Gahuy slučajno je ispustio jedan od kristala iz svoje kolekcije. Nakon što je pregledao fragmente kristala, primijetio je da su mnogi od njih bili manje kopije originalnog uzorka.

Izvanredno svojstvo mnogih kristala da, kada se zdrobe, proizvedu fragmente sličnog oblika izvornom kristalu, omogućilo je Haüyu da pretpostavi da se svi kristali sastoje od gusto zbijenih redova malih čestica, nevidljivih pod mikroskopom, koje imaju pravilan geometrijski oblik svojstven dana tvar. Gayuy je objasnio raznolikost geometrijskih oblika ne samo različitim oblicima "cigli" od kojih su sastavljeni, već i različitim načinima njihovog polaganja.

Hayuyina hipoteza ispravno je odražavala bit fenomena - uređen i gust raspored strukturnih elemenata kristala, ali nije odgovorila na niz važnih pitanja. Postoji li granica u održavanju forme? Ako postoji, koja je najmanja "cigla"? Imaju li atomi i molekule tvari oblik poliedara?

Još u 18.st. Engleski znanstvenik Robert Hooke i nizozemski znanstvenik Christiaan Huygens skrenuli su pozornost na mogućnost konstruiranja pravilnih poliedara od tijesno zbijenih kuglica. Predložili su da su kristali građeni od kuglastih čestica – atoma ili molekula. Vanjski oblici kristala, prema ovoj hipotezi, posljedica su karakteristika gustog pakiranja atoma ili molekula. Neovisno o njima, do istog je zaključka 1748. došao veliki ruski znanstvenik M.V. Lomonosov.

Kada su kuglice čvrsto spakirane u jedan ravni sloj, svaka kuglica je okružena sa šest drugih kuglica, čija središta čine pravilan šesterokut. Ako je drugi sloj položen duž rupa između kuglica prvog sloja, tada će drugi sloj biti isti kao i prvi, samo pomaknut u odnosu na njega u prostoru.

Polaganje trećeg sloja kuglica može se obaviti na dva načina. U prvoj metodi, kuglice trećeg sloja stavljaju se u rupe koje se nalaze točno iznad kuglica prvog sloja, a treći sloj ispada točna kopija prvog. Naknadnim ponavljanjem slaganja slojeva na ovaj način dobiva se struktura koja se naziva heksagonalna zbijena struktura. U drugoj metodi, kuglice trećeg sloja stavljaju se u rupe koje se ne nalaze točno iznad kuglica prvog sloja. Ova metoda pakiranja proizvodi strukturu koja se naziva kubična zbijena struktura. Oba paketa daju stopu popunjenosti volumena od 74%. Nijedna druga metoda rasporeda lopti u prostoru u odsutnosti njihove deformacije ne osigurava veći stupanj popunjavanja volumena.

Polaganjem kuglica red po red metodom šesterokutnog zbijenog pakiranja možete dobiti pravilnu heksagonalnu prizmu; druga metoda pakiranja dovodi do mogućnosti konstruiranja kocke od kuglica.

Ako se pri konstrukciji kristala od atoma ili molekule primjenjuje princip tijesnog pakiranja, tada bi se činilo da bi se kristali u prirodi trebali naći samo u obliku šesterokutnih prizmi i kocki. Kristali ovog oblika doista su vrlo česti. Heksagonalno tijesno pakiranje atoma odgovara, na primjer, obliku kristala cinka, magnezija i kadmija. Kubično gusto pakiranje odgovara obliku kristala bakra, aluminija, srebra, zlata i brojnih drugih metala.

No, raznolikost svijeta kristala nije ograničena na ova dva oblika.

Postojanje kristalnih oblika koji ne odgovaraju principu najtješnjeg pakiranja jednakih kuglica može imati različite razloge.

Prvo, kristal se može graditi prema principu tijesnog pakiranja, ali od atoma različitih veličina ili od molekula čiji se oblik vrlo razlikuje od sfernog. Atomi kisika i vodika imaju sferni oblik. Kada se spoje jedan atom kisika i dva atoma vodika, dolazi do međusobnog prodiranja njihovih elektronskih ljuski. Stoga molekula vode ima oblik koji se bitno razlikuje od sfernog. Kada se voda skrutne, gusto pakiranje njezinih molekula ne može se postići na isti način kao pakiranje kuglica jednake veličine.

Drugo, razlika između pakiranja atoma ili molekula i one najgušće može se objasniti postojanjem jačih veza između njih u određenim smjerovima. U slučaju atomskih kristala, smjer veza određen je strukturom vanjskih elektronskih ljuski atoma, u molekularnim kristalima - strukturom molekula.

Prilično je teško razumjeti strukturu kristala koristeći samo trodimenzionalne modele njihove strukture. U tom smislu često se koristi metoda prikazivanja strukture kristala pomoću prostorne kristalne rešetke. To je prostorna mreža, čiji se čvorovi podudaraju s položajem središta atoma (molekula) u kristalu. Takvi se modeli mogu vidjeti, ali se iz njih ne može ništa saznati o obliku i veličini čestica koje čine kristale.

Kristalna rešetka temelji se na elementarnoj ćeliji - figuri najmanje veličine, čijim se uzastopnim prijenosom može izgraditi cijeli kristal. Da biste jedinstveno okarakterizirali ćeliju, trebate odrediti dimenzije njezinih rubova a, b i c te veličinu kutova i između njih. Duljina jednog od rubova naziva se konstanta kristalne rešetke, a cijeli skup od šest vrijednosti koje definiraju ćeliju naziva se parametri ćelije.

Važno je obratiti pozornost na činjenicu da većina atoma, i za mnoge tipove kristalne rešetke, svaki atom ne pripada jednoj jediničnoj ćeliji, već je istovremeno dio nekoliko susjednih jediničnih ćelija. Razmotrimo, na primjer, jediničnu ćeliju kristala kamene soli.

Dio kristala prikazan na slici treba uzeti kao elementarnu ćeliju kristala kamene soli iz koje se prijenosom u prostoru može izgraditi cijeli kristal. U ovom slučaju, mora se uzeti u obzir da od iona koji se nalaze na vrhovima stanice, samo jedna osmina svakog od njih pripada njoj; od iona koji leže na rubovima ćelije, jedna četvrtina pripada njoj; Od iona koji leže na stranama, svaka od dvije susjedne jedinične ćelije čini polovicu iona.

Izbrojimo broj natrijevih iona i broj iona klora uključenih u jednu jediničnu ćeliju kamene soli. Ćelija u cijelosti sadrži jedan ion klora koji se nalazi u središtu ćelije i jednu četvrtinu svakog od 12 iona koji se nalaze na rubovima ćelije. Ukupni ioni klora u jednoj ćeliji su 1+12*1/4=4. Natrijevi ioni u jediničnoj ćeliji su šest polovica na stranama i osam osmina na vrhovima, ukupno 6*1/2+8*1/8=4.

Usporedba jediničnih ćelija kristalnih rešetki različitih tipova može se provesti pomoću različitih parametara, među kojima se često koriste atomski radijus, gustoća pakiranja i broj atoma u jediničnoj ćeliji. Atomski polumjer definiran je kao polovica udaljenosti između središta najbližih susjednih atoma u kristalu.

Udio volumena koji zauzimaju atomi u jediničnoj ćeliji naziva se gustoća pakiranja.

Klasifikacija kristala i objašnjenje njihovih fizikalnih svojstava mogući su samo na temelju proučavanja njihove simetrije. Doktrina simetrije je osnova sve kristalografije.

Za kvantificiranje stupnja simetrije koriste se elementi simetrije - osi, ravnine i centar simetrije. Os simetrije je zamišljena ravna linija, kada se zakrene za 360° oko koje se kristal (ili njegova rešetka) nekoliko puta poravna sam sa sobom. Broj ovih poravnanja naziva se poredak osi.

Ravnina simetrije je ravnina koja siječe kristal na dva dijela, od kojih je svaki zrcalna slika jedan drugoga.

Ravnina simetrije djeluje kao dvosmjerno zrcalo. Broj ravnina simetrije može biti različit. Na primjer, u kocki ih je devet, au pahuljama bilo kojeg oblika šest.

Središte simetrije je točka unutar kristala u kojoj se sijeku sve osi simetrije.

Svaki kristal karakterizira određena kombinacija elemenata simetrije. Zbog činjenice da je broj elemenata simetrije malen, zadatak pronalaženja svih mogućih oblika kristala nije beznadan. Izvanredni ruski kristalograf Evgraf Stepanovič Fedorov ustanovio je da u prirodi može postojati samo 230 različitih kristalnih rešetki koje imaju osi simetrije drugog, trećeg, četvrtog i šestog reda. Drugim riječima, kristali mogu imati oblik raznih prizmi i piramida čija baza može biti samo pravilan trokut, kvadrat, paralelogram i šesterokut.

E.S. Fedorov je utemeljitelj kristalokemije - znanosti koja se bavi određivanjem kemijskog sastava kristala proučavanjem oblika ploha i mjerenjem kutova između njih. Kristalno kemijska analiza obično traje kraće od kemijske analize i ne dovodi do uništenja uzorka.

Mnogi Fedorovljevi suvremenici ne samo da nisu vjerovali u postojanje kristalnih rešetki, nego su čak sumnjali u postojanje atoma. Prve eksperimentalne dokaze valjanosti Fedorovljevih zaključaka dobio je 1912. njemački fizičar E. Laue. Metoda koju je razvio za određivanje atomske ili molekularne strukture tijela pomoću X-zraka naziva se analiza difrakcije X-zraka. Rezultati proučavanja strukture kristala pomoću analize rendgenske difrakcije dokazali su stvarnost postojanja svih izračunatih E.S. Fedorovljeve kristalne rešetke. Teorija ove metode je previše složena da bi se pokrila u školskom tečaju fizike.

Vizualni prikaz unutarnje strukture kristala pruža novi izvanredan uređaj za proučavanje strukture kristala - ionski mikroprojektor, izumljen 1951. Uređaj mikroprojektora sličan je uređaju televizijske slikovne cijevi (puc.5 ). Stakleni spremnik sadrži metalni kristal koji se proučava u obliku vrlo tanke igle 1 promjera oko 10 -5 -10 -6 cm. Nasuprot vrha igle nalazi se luminiscentni zaslon 2 koji može svijetliti kada je bombardiran brzim česticama. Nakon pažljivog ispumpavanja zraka iz balona, ​​u njega se unosi mala količina helija. Između igle i zaslona primjenjuje se napon od oko 30 000 V.

Kada se atomi helija sudare s vrhom pozitivno nabijene igle, gube jedan po jedan elektron i postaju pozitivni ioni. Najčešće se sudar atoma helija događa s izbočenim dijelovima površine vrha - "s pojedinačnim atomima ili skupinama atoma koji strše" iz metalne rešetke. Stoga se ionizacija helija uglavnom događa u blizini takvih izbočina. Iz svake izbočine-atoma, ion za ionom leti u ravnim crtama u smjeru negativno nabijene katode 3. Kada udare u ekran, uzrokuju njegovo sjajenje, stvarajući sliku površine vrha uvećanu do 10 7 puta. Isprekidana linija svijetlih točaka na fotografiji slika je ruba stepenica slojeva atoma, a same svjetlosne točke pojedinačni su atomi na vrhovima stepenica. Cijela slika dobro prenosi periodičnost i simetriju rasporeda atoma u kristalu.

Sadržaj članka

KRISTALI– tvari u kojima su najmanje čestice (atomi, ioni ili molekule) “upakirane” određenim redoslijedom. Kao rezultat toga, kako kristali rastu, na njihovoj se površini spontano pojavljuju ravni rubovi, a sami kristali poprimaju različite geometrijske oblike. Svatko tko je posjetio mineraloški muzej ili izložbu minerala nije mogao a da se ne divi gracioznosti i ljepoti oblika koje poprimaju “nežive” tvari.

A tko se nije divio snježnim pahuljama, čija je raznolikost uistinu beskrajna! Još u 17.st. slavni astronom Johannes Kepler napisao je raspravu O šesterokutnim pahuljama, a tri stoljeća kasnije objavljeni su albumi u kojima su predstavljene zbirke uvećanih fotografija tisuća snježnih pahulja, a nijedna nije ponavljala drugu.

Zanimljivo je podrijetlo riječi “kristal” (zvuči gotovo isto na svim europskim jezicima). Prije mnogo stoljeća, među vječnim snijegom u Alpama, na području moderne Švicarske, pronađeni su vrlo lijepi, potpuno bezbojni kristali, koji vrlo podsjećaju na čisti led. Drevni prirodoslovci su ih tako zvali - "crystallos", na grčkom - led; Ova riječ dolazi od grčkog "krios" - hladnoća, mraz. Vjerovalo se da se led, koji je dugo u planinama na jakom mrazu, okameni i izgubi sposobnost topljenja. Jedan od najautoritativnijih antičkih filozofa, Aristotel, napisao je da “crystallos nastaje iz vode kada potpuno izgubi toplinu”. Rimski pjesnik Klaudijan opisao je istu stvar u stihu 390. godine:

U ljutoj alpskoj zimi led se pretvara u kamen.

Sunce onda ne može otopiti takav kamen.

Sličan zaključak donesen je u davna vremena u Kini i Japanu - tamo su led i gorski kristal označavani istom riječju. Pa čak i u 19.st. pjesnici su često kombinirali ove slike zajedno:

Jedva proziran led, koji se gasi nad jezerom,

Kristal je prekrio nepomične mlazove.

A. S. Puškin. Ovidiju

Posebno mjesto među kristalima zauzima drago kamenje, koje od davnina privlači pažnju ljudi. Ljudi su naučili umjetno dobivati ​​mnogo dragog kamenja. Na primjer, ležajevi za satove i druge precizne instrumente dugo su se izrađivali od umjetnih rubina. Umjetno se dobivaju i prekrasni kristali kojih u prirodi uopće nema. Na primjer, kubični cirkonij - njihovo ime dolazi od kratice FIAN - Fizički institut Akademije znanosti, gdje su prvi put dobiveni. Kubični cirkonij su kristali kubičnog cirkonijevog oksida ZrO 2 koji su izgledom vrlo slični dijamantima.

Struktura kristala.

Ovisno o strukturi kristali se dijele na ionske, kovalentne, molekularne i metalne. Ionski kristali građeni su od izmjeničnih kationa i aniona, koji se u određenom redoslijedu drže silama elektrostatskog privlačenja i odbijanja. Elektrostatske sile su neusmjerene: svaki ion može zadržati oko sebe onoliko iona suprotnog predznaka koliko stane. Ali u isto vrijeme, sile privlačenja i odbijanja moraju biti uravnotežene i mora se održati ukupna električna neutralnost kristala. Sve to, uzimajući u obzir veličinu iona, dovodi do različitih kristalnih struktura. Dakle, tijekom međudjelovanja iona Na + (njihov radijus je 0,1 nm) i Cl – (njihov je radijus 0,18 nm) dolazi do oktaedarske koordinacije: svaki ion u svojoj blizini drži šest iona suprotnog predznaka koji se nalaze na vrhovima oktaedra. . U tom slučaju svi kationi i anioni tvore najjednostavniju kubičnu kristalnu rešetku, u kojoj su vrhovi kocke naizmjenično zauzeti ionima Na + i Cl –. Sličnu strukturu imaju i kristali KCl, BaO, CaO i niza drugih tvari.

Ioni Cs + (radijus 0,165 nm) po veličini su bliski ionima Cl –, a dolazi do kubične koordinacije: svaki ion je okružen s osam iona suprotnog predznaka koji se nalaze na vrhovima kocke. U tom slučaju nastaje kristalna rešetka u središtu tijela: u središtu svake kocke koju čini osam kationa nalazi se jedan anion i obrnuto. (Zanimljivo je da se na 445°C CsCl pretvara u jednostavnu kubičnu rešetku poput NaCl.) Kristalne rešetke CaF 2 (fluorita) i mnogih drugih ionskih spojeva su složenije. U nekim ionskim kristalima složeni poliatomski anioni mogu biti povezani u lance, slojeve ili tvoriti trodimenzionalni okvir u čijim se šupljinama nalaze kationi. Tako su na primjer strukturirani silikati. Ionski kristali tvore većinu soli anorganskih i organskih kiselina, oksida, hidroksida i soli. U ionskim kristalima veze između iona su jake, stoga takvi kristali imaju visoka tališta (801 ° C za NaCl, 2627 ° C za CaO).

U kovalentnim kristalima (nazivaju se i atomski kristali) u čvorovima kristalne rešetke nalaze se atomi, isti ili različiti, koji su povezani kovalentnim vezama. Ove veze su jake i usmjerene pod određenim kutovima. Tipičan primjer je dijamant; u svom kristalu svaki atom ugljika povezan je s četiri druga atoma koji se nalaze na vrhovima tetraedra. Kovalentni kristali tvore bor, silicij, germanij, arsen, ZnS, SiO 2, ReO 3, TiO 2, CuNCS. Budući da ne postoji oštra granica između polarnih kovalentnih i ionskih veza, isto vrijedi i za ionske i kovalentne kristale. Dakle, naboj na atomu aluminija u Al 2 O 3 nije +3, već samo +0,4, što ukazuje na veliki doprinos kovalentne strukture. Istodobno, u kobaltovom aluminatu CoAl 2 O 4 naboj na aluminijevim atomima raste na +2,8, što znači prevlast ionskih sila. Kovalentni kristali općenito su tvrdi i vatrostalni.

Molekularni kristali građeni su od izoliranih molekula između kojih djeluju relativno slabe sile privlačenja. Zbog toga takvi kristali imaju mnogo niže talište i vrelište, a niska im je tvrdoća. Tako se kristali plemenitih plinova (građeni su od izoliranih atoma) tale na vrlo niskim temperaturama. Od anorganskih spojeva molekularni kristali tvore mnoge nemetale (plemeniti plinovi, vodik, dušik, bijeli fosfor, kisik, sumpor, halogeni), spojeve čije su molekule građene samo kovalentnim vezama (H 2 O, HCl, NH 3, CO 2 , itd.). Ova vrsta kristala također je karakteristična za gotovo sve organske spojeve. Čvrstoća molekularnih kristala ovisi o veličini i složenosti molekula. Tako se kristali helija (atomski polumjer 0,12 nm) tope na –271,4 °C (pod tlakom od 30 atm), a kristali ksenona (radijus 0,22 nm) - na –111,8 °C; kristali fluora tale se na –219,6° C, a joda – na +113,6° C; metan CH 4 – na –182,5° C, a triakontan C 30 H 62 – na +65,8° C.

Metalni kristali tvore čiste metale i njihove legure. Takvi se kristali mogu vidjeti na slomljenom metalu, kao i na površini pocinčanog lima. Kristalnu rešetku metala čine kationi koji su vezani mobilnim elektronima („elektronski plin“). Ova struktura određuje električnu vodljivost, savitljivost i visoku refleksiju (sjaj) kristala. Struktura metalnih kristala nastaje kao rezultat različitog pakiranja atoma sfere. Alkalijski metali, krom, molibden, volfram itd. tvore tjelesno centriranu kubičnu rešetku; bakar, srebro, zlato, aluminij, nikal itd. - kubična rešetka usmjerena na lice (osim 8 atoma na vrhovima kocke, postoji još 6 smještenih u središtu lica); berilij, magnezij, kalcij, cink itd. - takozvana heksagonalna gusta rešetka (u njoj se 12 atoma nalazi na vrhovima pravokutne šesterokutne prizme, 2 atoma u središtu dviju baza prizme i još 3 atoma na vrhovima trokuta u središtu prizme).

Svi kristalni spojevi mogu se podijeliti na mono- i polikristalne. Monokristal je monolit s jednom neporemećenom kristalnom rešetkom. Prirodni pojedinačni kristali velikih veličina vrlo su rijetki. Većina kristalnih krutina su polikristalne, to jest, sastoje se od mnogo malih kristala, ponekad vidljivih samo pod velikim povećanjem.

Rast kristala.

Mnogi istaknuti znanstvenici koji su dali veliki doprinos razvoju kemije, mineralogije i drugih znanosti započeli su svoje prve pokuse uzgojem kristala. Osim čisto vanjskih učinaka, ovi eksperimenti nas tjeraju na razmišljanje o tome kako su kristali strukturirani i kako nastaju, zašto različite tvari daju kristale različitih oblika, a neke uopće ne tvore kristale, što treba učiniti da kristali nastanu. velika i lijepa.

Evo jednostavnog modela koji objašnjava bit kristalizacije. Zamislimo da se u velikoj dvorani postavlja parket. Najlakše je raditi s pločicama četvrtastog oblika - kako god okrenete takvu pločicu, ona će i dalje stati na svoje mjesto, a posao će ići brzo. Zbog toga lako kristaliziraju spojevi koji se sastoje od atoma (metali, plemeniti plinovi) ili malih simetričnih molekula. Takvi spojevi, u pravilu, ne tvore nekristalne (amorfne) tvari.

Teže je postaviti parket od pravokutnih dasaka, pogotovo ako imaju utore i izbočine sa strane - tada se svaka daska može postaviti na svoje mjesto na jedan način. Posebno je teško postaviti uzorak parketa od dasaka složenih oblika.

Ako se parketaru žuri, pločice će prebrzo stići na mjesto postavljanja. Jasno je da sada ispravan uzorak neće funkcionirati: ako je pločica iskrivljena barem na jednom mjestu, tada će se sve iskriviti i pojavit će se praznine (kao u staroj računalnoj igri Tetris, u kojoj se "staklo" ispunjava dijelovima prebrzo). Ništa dobrog neće biti ako desetak majstora odjednom krene postavljati parket u velikoj hali - svaki sa svog mjesta. Čak i ako rade sporo, vrlo je sumnjivo da će susjedni dijelovi biti dobro povezani, a općenito će izgled prostorije biti vrlo ružan: na različitim mjestima pločice se nalaze u različitim smjerovima, a između njih zjape rupe. pojedinačni dijelovi ravnog parketa.

Približno isti procesi događaju se tijekom rasta kristala, samo je poteškoća u tome što se čestice ne moraju uklopiti u ravninu, već u volumen. Ali ovdje nema "parketara" - tko stavlja čestice materije na njihovo mjesto? Ispada da same leže jer neprestano izvode toplinske pokrete i "traže" sebi najprikladnije mjesto gdje će im biti najudobnije. U ovom slučaju “pogodnost” podrazumijeva i energetski najpovoljniji položaj. Kada se nađe na takvom mjestu na površini rastućeg kristala, čestica materije može tamo ostati i nakon nekog vremena završiti unutar kristala, ispod novih rastućih slojeva materije. Ali moguće je i nešto drugo - čestica će ponovno napustiti površinu u otopinu i ponovno početi "tražiti" gdje joj je prikladnije smjestiti se.

Svaka kristalna tvar ima za nju svojstven određeni vanjski kristalni oblik. Na primjer, za natrijev klorid ovaj oblik je kocka, za kalijev alum to je oktaedar. Čak i ako je u početku takav kristal imao nepravilan oblik, on će se prije ili kasnije pretvoriti u kocku ili oktaedar. Štoviše, ako je kristal ispravnog oblika namjerno oštećen, na primjer, odbačeni su mu vrhovi, oštećeni rubovi i lica, tada će daljnjim rastom takav kristal sam početi "liječiti" svoju štetu. To se događa jer "ispravni" rubovi kristala rastu brže, a "neispravni" rastu sporije. Da bi se to potvrdilo, proveden je sljedeći pokus: iz kristala kuhinjske soli izrezbarena je kugla, a zatim stavljena u zasićenu otopinu NaCl; Nakon nekog vremena sama se lopta postupno pretvorila u kocku! Riža. 6 Kristalni oblici nekih minerala

Ako se proces kristalizacije ne odvija prebrzo, a čestice imaju oblik pogodan za postavljanje i veliku pokretljivost, lako pronalaze svoje mjesto. Ako se pokretljivost čestica s niskom simetrijom naglo smanji, one se nasumično "smrznu", tvoreći prozirnu masu sličnu staklu. Ovo agregatno stanje naziva se staklasto. Primjer je obično prozorsko staklo. Ako se staklo dugo drži jako vruće, kada su čestice u njemu dovoljno pokretljive, u njemu će početi rasti kristali silikata. Takvo staklo gubi svoju prozirnost. Ne mogu samo silikati biti staklasti. Stoga, kada se etilni alkohol polagano hladi, kristalizira na temperaturi od –113,3° C, stvarajući bijelu masu nalik snijegu. Ali ako se hlađenje provodi vrlo brzo (umočite tanku ampulu alkohola u tekući dušik na temperaturi od –196 ° C), alkohol će se tako brzo skrutiti da njegove molekule neće imati vremena izgraditi pravi kristal. Rezultat je prozirno staklo. Ista stvar se događa sa silikatnim staklom (na primjer, prozorsko staklo). Vrlo brzim hlađenjem (milijuni stupnjeva u sekundi) čak se i metali mogu dobiti u nekristalnom staklastom stanju.

Tvari "nezgodnog" molekularnog oblika teško se kristaliziraju. Takve tvari uključuju, na primjer, proteine ​​i druge biopolimere. Ali obični glicerin, koji ima talište od +18° C, lako se prehladi kada se ohladi, postupno se skrućujući u staklastu masu. Činjenica je da je glicerin već na sobnoj temperaturi vrlo viskozan, a kada se ohladi postaje potpuno gust. Istodobno, vrlo je teško asimetričnim molekulama glicerola poredati se u strogom redoslijedu i formirati kristalnu rešetku.

Metode uzgoja kristala.

Kristalizacija se može izvesti na različite načine. Jedan od njih je hlađenje zasićene vruće otopine. Pri svakoj temperaturi u određenoj količini otapala (na primjer, vode) ne može se otopiti više od određene količine tvari. Na primjer, 200 g kalijeve stipse može se otopiti u 100 g vode na 90°C. Ova otopina se naziva zasićena. Sada ćemo otopinu ohladiti. Snižavanjem temperature smanjuje se i topljivost većine tvari. Tako se pri 80° C u 100 g vode ne može otopiti više od 130 g stipse. Gdje će otići preostalih 70 g? Ako se brzo hladi, višak tvari će se jednostavno istaložiti. Ako se ovaj sediment osuši i ispita jakim povećalom, možete vidjeti mnogo malih kristala.

Kada se otopina ohladi, čestice tvari (molekule, ioni), koje više ne mogu biti u otopljenom stanju, lijepe se zajedno tvoreći sićušne kristalne jezgre. Stvaranje jezgri je olakšano nečistoćama u otopini, kao što su prašina, sitne nepravilnosti na stjenkama posude (kemičari ponekad staklenim štapićem trljaju unutrašnje stijenke čaše posebno kako bi pomogli kristalizirati tvar). Ako se otopina polagano hladi, stvara se nekoliko jezgri, koje se, postupno rastući na sve strane, pretvaraju u lijepe kristale pravilnog oblika. Brzim hlađenjem stvaraju se mnoge jezgre, a čestice iz otopine će "pasti" na površinu rastućih kristala, poput graška iz poderane vrećice; Naravno, to neće proizvesti prave kristale, jer čestice u otopini možda jednostavno neće imati vremena da se "slegnu" na površinu kristala na svoje pravo mjesto. Osim toga, mnogi brzo rastući kristali ometaju jedni druge, poput nekoliko parketara koji rade u jednoj prostoriji. Strane krute nečistoće u otopini također mogu djelovati kao centri kristalizacije, pa što je otopina čišća, veća je vjerojatnost da će biti malo centara kristalizacije.

Hlađenjem otopine stipse zasićene na 90°C do sobne temperature dobijemo 190 g stipse u talogu, jer se pri 20°C samo 10 g stipse otapa u 100 g vode. Hoće li to rezultirati jednim velikim kristalom pravilnog oblika mase 190 g? Nažalost, ne: čak iu vrlo čistoj otopini, malo je vjerojatno da će pojedinačni kristal početi rasti: masa kristala može se formirati na površini otopine za hlađenje, gdje je temperatura nešto niža nego u masi, također kao na stijenkama i dnu posude.

Metoda uzgoja kristala postupnim hlađenjem zasićene otopine nije primjenjiva na tvari čija topljivost malo ovisi o temperaturi. Takve tvari uključuju, na primjer, natrijeve i aluminijeve kloride, kalcijev acetat.

Druga metoda za dobivanje kristala je postupno uklanjanje vode iz zasićene otopine. “Višak” tvari kristalizira. I u ovom slučaju, što voda sporije isparava, dobivaju se bolji kristali.

Treća metoda je uzgoj kristala iz rastaljenih tvari polaganim hlađenjem tekućine. Kod svih metoda najbolji rezultati se postižu ako se koristi klica - mali kristal pravilnog oblika, koji se stavlja u otopinu ili talinu. Na taj način se, na primjer, dobivaju kristali rubina. Uzgoj kristala dragog kamenja odvija se vrlo sporo, ponekad godinama. Ako ubrzate kristalizaciju, tada ćete umjesto jednog kristala dobiti masu malih.

Kristali također mogu rasti kada se para kondenzira, stvarajući snježne pahulje i uzorke na hladnom staklu. Kada se metali istiskuju iz otopina njihovih soli uz pomoć aktivnijih metala, također nastaju kristali. Na primjer, ako se željezni čavao umoči u otopinu bakrenog sulfata, prekrit će se crvenim slojem bakra. No dobiveni kristali bakra toliko su mali da se mogu vidjeti samo pod mikroskopom. Bakar se vrlo brzo oslobađa na površini nokta, zbog čega su njegovi kristali premali. Ali ako se proces uspori, kristali će se pokazati velikima. Da biste to učinili, pokrijte bakreni sulfat debelim slojem kuhinjske soli, stavite krug filter papira na njega, a na vrhu - željeznu ploču malo manjeg promjera. Ostaje samo uliti zasićenu otopinu kuhinjske soli u posudu. Bakreni sulfat će se početi polako otapati u slanoj vodi (topivost u njemu je manja nego u čistoj vodi). Ioni bakra (u obliku složenih zelenih aniona CuCl 4 2–) difundirat će prema gore vrlo sporo tijekom mnogo dana; proces se može promatrati po pomicanju obojene granice.

Kad dospiju do željezne ploče, ioni bakra reduciraju se do neutralnih atoma. Ali budući da se ovaj proces odvija vrlo sporo, atomi bakra poredaju se u prekrasne sjajne kristale metalnog bakra. Ponekad ti kristali stvaraju ogranke – dendrite. Promjenom eksperimentalnih uvjeta (temperatura, veličina kristala vitriola, debljina sloja soli itd.) možete promijeniti uvjete za kristalizaciju bakra.

Prehlađene otopine.

Ponekad zasićena otopina ne kristalizira kada se ohladi. Takva otopina, koja u određenoj količini otapala sadrži više otopljene tvari nego što je "pretpostavljeno" na danoj temperaturi, naziva se prezasićena otopina. Prezasićena otopina ne može se dobiti čak ni vrlo dugim miješanjem kristala s otapalom; može se dobiti samo hlađenjem vruće zasićene otopine. Stoga se takve otopine nazivaju i prehlađene. U njima nešto ometa početak kristalizacije, na primjer, otopina je previše viskozna ili su za rast kristala potrebne velike jezgre, kojih nema u otopini.

Otopine natrijevog tiosulfata Na 2 S 2 O 3 lako se prehlade. 5H 2 O. Ako pažljivo zagrijete kristale ove tvari na oko 56 ° C, oni će se "rastopiti". U stvarnosti, to nije taljenje, već otapanje natrijevog tiosulfata u "vlastitoj" vodi kristalizacije. S povećanjem temperature, topljivost natrijevog tiosulfata, kao i većine drugih tvari, raste, a na 56 ° C njegova kristalna voda dovoljna je da otopi svu dostupnu sol. Ako sada pažljivo ohladite posudu, izbjegavajući iznenadne udarce, kristali se neće formirati i tvar će ostati tekuća. Ali ako se gotov zametak - mali kristal iste tvari - unese u prehlađenu otopinu, započet će brza kristalizacija. Zanimljivo je da ga uzrokuje kristal samo te tvari, a otopina može biti potpuno indiferentna prema stranoj tvari. Stoga, dotaknete li mali kristal tiosulfata površinu otopine, dogodit će se pravo čudo: iz kristala će krenuti fronta kristalizacije koja će brzo doći do dna posude. Dakle, nakon samo nekoliko sekundi tekućina će se potpuno "očvrsnuti". Možete čak i preokrenuti posudu - iz nje neće proliti ni jedna kap! Čvrsti tiosulfat može se ponovno rastopiti u vrućoj vodi i sve ponoviti iznova.

Ako se epruveta koja sadrži prehlađenu otopinu tiosulfata stavi u ledenu vodu, kristali će rasti sporije i bit će veći. Kristalizacija prezasićene otopine popraćena je njezinim zagrijavanjem - pritom se oslobađa toplinska energija dobivena kristalnim hidratom tijekom njegovog taljenja.

Natrijev tiosulfat nije jedina tvar koja stvara prehlađenu otopinu u kojoj može doći do brze kristalizacije. Na primjer, natrijev acetat CH 3 COONa ima slično svojstvo (može se lako dobiti djelovanjem octene kiseline na sodu). S natrijevim acetatom iskusni predavači demonstriraju ovo “čudo”: na malu hrpicu acetata u tanjuriću polako ulijevaju prezasićenu otopinu te soli, koja u dodiru s kristalima odmah kristalizira, stvarajući stupac čvrste soli!

Kristali imaju široku primjenu u znanosti i tehnologiji: poluvodiči, prizme i leće za optičke uređaje, laseri u čvrstom stanju, piezoelektrici, feroelektrici, optički i elektrooptički kristali, feromagneti i feriti, monokristali metala visoke čistoće...

Strukturne studije kristala rendgenskim zrakama omogućile su utvrđivanje strukture mnogih molekula, uključujući biološki aktivne - proteine, nukleinske kiseline.

Fasetirani kristali dragog kamenja, uključujući i one umjetno uzgojene, koriste se kao nakit.

Ilya Leenson

HRABRI REŠETKE

Shema konstrukcije

HRABRE REŠETKE, 14 trodimenzionalnih geometrijskih rešetki koje karakteriziraju sve moguće tipove translacijske simetrije kristala. Bravaisove rešetke nastaju djelovanjem operacije prijenosa (translacije) na bilo koju točku kristala.

O. Bravais je 1848. godine pokazao da se cijela raznolikost kristalnih struktura može opisati pomoću 14 vrsta rešetki, koje se razlikuju po obliku jediničnih ćelija i simetriji i dalje su podijeljene u 7 kristalografskih sustava. Te su rešetke nazvane Bravaisove rešetke.

Bravaisove rešetke se razlikuju po simetriji jedinične ćelije, tj. odnosu između njezinih rubova i uglova, kao i centriranosti.

Za odabir Bravaisove ćelije koriste se tri uvjeta:

Simetrija jedinične ćelije mora odgovarati simetriji kristala, točnije, najvišoj simetriji sustava kojem kristal pripada. Rubovi jedinične ćelije moraju biti rešetkasti prijevodi;

Jedinična ćelija mora sadržavati najveći mogući broj pravih kutova ili jednakih kutova i jednakih bridova;

Jedinična ćelija mora imati minimalni volumen.

Prema prirodi relativnog položaja glavnih translacija ili položaja čvorova, sve kristalne rešetke podijeljene su u četiri vrste: primitivne ( R), bazno centrirano ( S), usmjeren na tijelo ( ja), u središtu lica ( F).

U primitivnim R-ćelija, čvorovi rešetke nalaze se samo na vrhovima ćelije, u središtu tijela ja-ćelija - jedan čvor u središtu ćelije, u lice-centriran F-ćelija - jedan čvor u središtu svake plohe, usmjeren prema bazi S-ćelija - jedan čvor u središtima para paralelnih stranica.

Skup koordinata čvorova uključenih u elementarnu ćeliju naziva se baza ćelije. Cjelokupna kristalna struktura može se dobiti ponavljanjem osnovnih čvorova skupom translacija Bravaisove ćelije.

Za neke singonije, jedinična ćelija može sadržavati čvorove ne samo u kutovima, već iu središtu ćelije, svim ili nekim stranama. U ovom slučaju translacijski prijenos moguć je ne samo na periode jedinične ćelije, već i na polovice dijagonala stranica ćelije ili prostornih dijagonala. Uz obveznu translacijsku invarijantnost, rešetka se može transformirati u sebe tijekom drugih transformacija, koje uključuju rotacije, refleksije i inverzije. Te dodatne simetrije određuju vrstu Bravaisove rešetke i razlikuju je od ostalih.

Vrste Bravais rešetki:

Kubični: primitivan, usmjeren na tijelo i lice;

Heksagonalni, trokutni;

Tetragonalni: primitivni i volumenski centralizirani;

Rombični: primitivni, usredotočeni na bazu, tijelo i lice;

Monoklinski: primitivni i bazično centrirani;

Triklinika.

Singonia(od grčkog σύν, "prema, zajedno, pokraj" i γωνία, "kut" - doslovno "sličan kut") - klasifikacija kristalografskih simetrijskih skupina, kristala i kristalnih rešetki ovisno o koordinatnom sustavu (koordinatna referenca). Grupe simetrije s jednim koordinatnim sustavom kombiniraju se u jedan sustav.

Kristali koji pripadaju istom sustavu imaju slične kutove i rubove jediničnih ćelija.

· Triklinika: (\displaystyle a\neq b\neq c), (\displaystyle \alpha \neq \beta \neq \gamma \neq 90^(\circ ))

· Monoklina: (\displaystyle a\neq b\neq c), (\displaystyle \alpha =\gamma =90^(\circ ),\beta \neq 90^(\circ ))

· Rombični: (\displaystyle a\neq b\neq c), (\displaystyle \alpha =\beta =\gamma =90^(\circ ))

· Tetragonalno: (\displaystyle a=b\neq c), (\displaystyle \alpha =\beta =\gamma =90^(\circ ))

· Heksagonalno: (\displaystyle a=b\neq c), (\displaystyle \alpha =\beta =90^(\circ ),\gamma =120^(\circ ))

· Kubični: (\displaystyle a=b=c), (\displaystyle \alpha =\beta =\gamma =90^(\circ ))

Glavne karakteristike kristalnih struktura

Kristalne materijale karakterizira prisutnost dalekometnog reda, što je karakteristično. u tome što se u njemu može razaznati određeni volumen, u kojem se raspored atoma ponavlja kroz cijeli volumen.

U amorfnim prostirkama postoji poredak kratkog dometa, kat. lik temama da nema ponavljanja svezaka.

Kriste. pogodno je opisati strukturu pomoću Z x dimenzionalna mreža ravnih linija koje dijele prostor na paralelepipide jednakih veličina. Sjecište linija je slika 3-dimenzionalnih prostora. rešetka. Mjesta rešetke, u pravilu, odgovaraju rasporedu atoma u kristalu. Atom oscilira

oko ovih položaja. Ako je u takvoj prostornoj rešetki moguće odabrati određeni volumen, pomičući ga u 3 smjera. omogućuje vam da poravnate cijeli kristal, a zatim gov. Da je pronađen element ili ćelija.

Element ćelije obično karakterizira 6 parametara: a, b, c - duljina rubova paralelopipeda, α, β, γ.

Oblik elementa stanice određuje kristalografski koordinatni sustav – singoniju. Smjerovi bridova biraju se kao osi - elementi, ćelije, a sami bridovi su mjerne jedinice. Broj pravih kutova i jednakih stranica treba biti max, a volumen elementa ćelije min.